JP2010116910A - Internal combustion engine including plasma igniter - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To well cool the front end of a plasma igniter in an internal combustion engine including the plasma igniter. <P>SOLUTION: This internal combustion engine includes the plasma igniter 100 in which a nozzle hole allowing a chamber for generating plasma to communicate with the inside of a cylinder is formed at the front end thereof. The engine further includes a fuel injection valve 105 for injecting a fuel directly into a cylinder. The fuel injection valve injects the fuel so that the fuel is directly or indirectly collided with near the nozzle hole at the front end of the plasma igniter. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、プラズマ点火装置を備える内燃機関に関する。   The present invention relates to an internal combustion engine including a plasma ignition device.

内燃機関において、点火装置により気筒内全体の均質混合気又は気筒内の一部に存在する混合気を確実に着火させなければならない。しかしながら、点火ギャップに火花を発生させる一般的な点火装置は、混合気の一点を着火させるものであり、それほど高い着火性を有してはいない。   In an internal combustion engine, it is necessary to reliably ignite a homogeneous mixture in the entire cylinder or a mixture existing in a part of the cylinder by an ignition device. However, a general ignition device that generates a spark in the ignition gap ignites one point of the air-fuel mixture and does not have a very high ignitability.

着火性に優れた点火装置として、プラズマジェットを噴射するプラズマ点火装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。プラズマ点火装置は、絶縁体の側壁により形成されたチャンバと、チャンバの一端側に配置された接地電極と、チャンバの他端側に配置された中心電極とを具備し、中心電極と接地電極との間に電圧を印加して発生する放電によってチャンバ内に高温高圧のプラズマを発生させるものである。プラズマ点火装置の先端部には、チャンバと気筒内とを連通する噴孔が形成され、こうして噴孔から気筒内へチャンバ内のプラズマが噴射され、プラズマジェットの断面積に相当する混合気の所定面積を同時に着火させることによって、高い着火性を実現することができる。   As an ignition device having excellent ignitability, a plasma ignition device that injects a plasma jet has been proposed (see, for example, Patent Document 1). The plasma ignition device includes a chamber formed by a side wall of an insulator, a ground electrode disposed at one end of the chamber, and a center electrode disposed at the other end of the chamber. A high-temperature and high-pressure plasma is generated in the chamber by a discharge generated by applying a voltage between the two. A nozzle hole communicating the chamber and the cylinder is formed at the tip of the plasma ignition device. Thus, plasma in the chamber is injected from the nozzle hole into the cylinder, and a predetermined air-fuel mixture corresponding to the cross-sectional area of the plasma jet is formed. By igniting the area simultaneously, high ignitability can be realized.

特開２００６−２９４２５７JP 2006-294257 A 特開平１１−６２５９４JP-A-11-62594 特開２００７−７７９２１JP2007-77721A 特開２００７−１４６７０４JP2007-146704A 特開２００３−２５４０７０JP 2003-254070 A 特開２００６−１５２８１７JP 2006-152817 A

このようなプラズマ点火装置において、先端部には、高温のプラズマジェットを噴射する噴孔が形成されるために、十分に冷却されないと溶損することがある。   In such a plasma ignition device, a nozzle hole for injecting a high-temperature plasma jet is formed at the tip portion, so that it may be melted if not sufficiently cooled.

従って、本発明の目的は、プラズマ点火装置を具備する内燃機関において、プラズマ点火装置の先端部を良好に冷却可能とすることである。   Accordingly, it is an object of the present invention to enable the tip portion of the plasma ignition device to be satisfactorily cooled in an internal combustion engine including the plasma ignition device.

本発明による請求項１に記載のプラズマ点火装置を備える内燃機関は、プラズマを発生させるチャンバと気筒内とを連通する噴孔が先端部に形成されたプラズマ点火装置を備える内燃機関であって、気筒内へ直接的に燃料を噴射する燃料噴射弁が設けられ、前記燃料噴射弁は、前記プラズマ点火装置の前記先端部の前記噴孔の近傍に直接的に又は間接的に衝突するように燃料を噴射することを特徴とする。   An internal combustion engine comprising the plasma ignition device according to claim 1 according to the present invention is an internal combustion engine comprising a plasma ignition device in which a nozzle hole communicating with a chamber for generating plasma and the inside of a cylinder is formed at a tip portion, A fuel injection valve for directly injecting fuel into the cylinder is provided, and the fuel injection valve is adapted to directly or indirectly collide with the vicinity of the nozzle hole at the tip of the plasma ignition device. It is characterized by injecting.

本発明による請求項２に記載のプラズマ点火装置を備える内燃機関は、請求項１に記載のプラズマ点火装置を備える内燃機関において、前記プラズマ点火装置の前記先端部の前記噴孔の近傍には、衝突燃料の方向を前記噴孔から噴射されるプラズマジェットに沿うように変更する凹部が形成され、前記燃料噴射弁は、成層混合気を形成するための燃料を前記先端部に形成された前記凹部に衝突するように点火時期直前に噴射することを特徴とする。   An internal combustion engine comprising the plasma ignition device according to claim 2 according to the present invention is the internal combustion engine comprising the plasma ignition device according to claim 1, wherein the vicinity of the nozzle hole at the tip of the plasma ignition device is A recess is formed to change the direction of the collision fuel so as to follow the plasma jet injected from the nozzle hole, and the fuel injection valve has the recess formed in the tip portion with fuel for forming a stratified mixture. Injecting immediately before the ignition timing so as to collide with.

本発明による請求項１に記載のプラズマ点火装置を備える内燃機関によれば、プラズマを発生させるチャンバと気筒内とを連通する噴孔が先端部に形成されたプラズマ点火装置を備える内燃機関であって、気筒内へ直接的に燃料を噴射する燃料噴射弁が設けられ、この燃料噴射弁は、プラズマ点火装置の先端部の噴孔の近傍に直接的に又は間接的に衝突するように燃料を噴射するようになっている。それにより、プラズマ点火装置の先端部は、噴孔近傍に衝突する燃料によって良好に冷却されて溶損が抑制される。   According to an internal combustion engine comprising the plasma ignition device according to claim 1 of the present invention, the internal combustion engine is provided with a plasma ignition device in which a nozzle hole that communicates a chamber for generating plasma and the inside of a cylinder is formed at a tip portion. A fuel injection valve for directly injecting fuel into the cylinder is provided, and this fuel injection valve directs fuel so that it collides directly or indirectly with the vicinity of the injection hole at the tip of the plasma ignition device. It comes to inject. Thereby, the front-end | tip part of a plasma ignition apparatus is cooled favorably with the fuel which collides in the vicinity of a nozzle hole, and melting loss is suppressed.

本発明による請求項２に記載のプラズマ点火装置を備える内燃機関によれば、請求項１に記載のプラズマ点火装置を備える内燃機関において、プラズマ点火装置の先端部の噴孔の近傍には、衝突燃料の方向を噴孔から噴射されるプラズマジェットに沿うように変更する凹部が形成され、燃料噴射弁は、成層混合気を形成するための燃料を先端部に形成された凹部に衝突するように点火時期直前に噴射するようになっている。それにより、成層混合気を形成するために燃料噴射弁から噴射された燃料は、プラズマ点火装置の先端部の凹部に衝突して先端部を良好に冷却すると共に、凹部との衝突によりプラズマジェットに沿うように方向を変更されて可燃混合気となり、プラズマジェット近傍の成層混合気が形成されるために、プラズマジェットにより良好に着火燃焼させることができる。   According to the internal combustion engine comprising the plasma ignition device according to claim 2 of the present invention, in the internal combustion engine comprising the plasma ignition device according to claim 1, there is a collision in the vicinity of the nozzle hole at the tip of the plasma ignition device. A recess is formed to change the direction of the fuel so as to follow the plasma jet injected from the nozzle hole, and the fuel injection valve collides the fuel for forming the stratified mixture with the recess formed at the tip. The fuel is injected just before the ignition timing. As a result, the fuel injected from the fuel injection valve to form the stratified mixture collides with the recess at the tip of the plasma ignition device to cool the tip well, and into the plasma jet due to the collision with the recess. The direction is changed so as to be a flammable mixture, and a stratified mixture in the vicinity of the plasma jet is formed. Therefore, the plasma jet can be ignited and burned well.

図１は本発明のプラズマ点火装置を備える内燃機関の第一実施形態を示す縦断面図である。同図において、１００はプラズマ点火装置であり、１０１は一対の吸気弁１０２を介して気筒内へ通じる一対の吸気ポートであり、１０３は一対の排気弁１０４を介して気筒内へ通じる一対の排気ポートである。プラズマ点火装置１００は、気筒上部周囲の例えば二つの排気弁１０４の間に配置されている。   FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a first embodiment of an internal combustion engine provided with the plasma ignition device of the present invention. In the figure, 100 is a plasma ignition device, 101 is a pair of intake ports that communicate with a cylinder via a pair of intake valves 102, and 103 is a pair of exhaust that communicates with a cylinder via a pair of exhaust valves 104. Port. The plasma ignition device 100 is disposed between, for example, two exhaust valves 104 around the cylinder upper portion.

１０５は、気筒内へ直接的に燃料を噴射する第一燃料噴射弁であり、気筒上部周囲の排気弁１０４側に配置されたプラズマ点火装置１００に対向するように、気筒上部周囲の二つの吸気弁１０２の間に配置されている。１０６は一方の吸気ポート１０１に配置された第二燃料噴射弁である。１０７はピストンである。   Reference numeral 105 denotes a first fuel injection valve that directly injects fuel into the cylinder, and two intake air around the cylinder upper part so as to face the plasma ignition device 100 disposed on the exhaust valve 104 side around the cylinder upper part. Located between the valves 102. Reference numeral 106 denotes a second fuel injection valve disposed in one intake port 101. 107 is a piston.

図３は、本実施形態の内燃機関に取り付けられたプラズマ点火装置１００の断面図（プラズマ点火装置の中心軸線を通り図１に垂直な面における断面図）である。同図において、１はプラズマ点火装置１００の軸線方向に延在するように絶縁体２の筒状先端部２ａを側壁として形成されたチャンバであり、３はチャンバ１の一端側に配置された接地電極であり、４はチャンバ１の他端側に配置された中心電極である。   FIG. 3 is a cross-sectional view of the plasma ignition device 100 attached to the internal combustion engine of the present embodiment (a cross-sectional view in a plane that passes through the central axis of the plasma ignition device and is perpendicular to FIG. 1). In the figure, reference numeral 1 denotes a chamber formed with the cylindrical tip 2a of the insulator 2 as a side wall so as to extend in the axial direction of the plasma ignition device 100, and 3 denotes a grounding disposed on one end side of the chamber 1. 4 is a center electrode disposed on the other end side of the chamber 1.

接地電極３及び中心電極４は、耐熱性と高い導電性とを有する金属、例えば、ステンレス等の鉄系金属、ニッケル系金属、又は、イリジウム系金属又はイリジウム合金とすることができる。中心電極４に対して接地電極３を絶縁するための絶縁体２の材質は、セラミックス（例えばアルミナセラミックス）とすることが好ましい。５は中心電極４へ電圧を印加するための導体（例えばニッケル）であり、６は導体５と中心電極４とを電気的に接続するための導電性接着剤である。７は絶縁体２を覆うと共に接地電極３を固定するハウジングである。Ｇは絶縁体２とハウジング７との間の隙間を密閉するための金属ガスケットである。   The ground electrode 3 and the center electrode 4 can be made of a metal having heat resistance and high conductivity, for example, an iron-based metal such as stainless steel, a nickel-based metal, an iridium-based metal, or an iridium alloy. The material of the insulator 2 for insulating the ground electrode 3 from the center electrode 4 is preferably ceramics (for example, alumina ceramics). 5 is a conductor (for example, nickel) for applying a voltage to the center electrode 4, and 6 is a conductive adhesive for electrically connecting the conductor 5 and the center electrode 4. A housing 7 covers the insulator 2 and fixes the ground electrode 3. G is a metal gasket for sealing a gap between the insulator 2 and the housing 7.

８はチャンバ１と気筒内とを連通する二つの噴孔である。本実施形態においては、図３のＡ−Ａ断面図である図４に示すように、接地電極３はチャンバ１内において直径方向に対向する二つの切欠３ａが設けられ、二つの噴孔８は、これら切欠き３ａの位置においてハウジング７を貫通するように、プラズマ点火装置１００の先端部１００ａに形成されている。プラズマジェットは、二つの噴孔８から気筒上部の吸気弁側へ向けて、気筒中心軸線に対して垂直な平面上又はこの平面に対して僅かに下方向に傾斜する平面上を進行し、シリンダヘッド及び圧縮上死点近傍のピストン１０７に衝突しないように噴射される。   Reference numeral 8 denotes two nozzle holes that communicate between the chamber 1 and the inside of the cylinder. In the present embodiment, as shown in FIG. 4, which is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG. 3, the ground electrode 3 is provided with two notches 3a that are diametrically opposed in the chamber 1, and the two injection holes 8 are The plasma ignition device 100 is formed at the front end portion 100a so as to penetrate the housing 7 at the position of the notches 3a. The plasma jet advances from the two nozzle holes 8 toward the intake valve side at the upper part of the cylinder on a plane perpendicular to the cylinder center axis or on a plane inclined slightly downward with respect to this plane. It is injected so as not to collide with the piston 107 near the head and compression top dead center.

図６はプラズマ点火装置の電源制御回路である。図６において、１０は電子制御装置ＥＣＵにより制御されるトランジスタであり、１１は第一バッテリであり、１２は点火コイルである。また、１３はコンデンサであり、１４は第二バッテリ１５の制御回路である。   FIG. 6 shows a power supply control circuit of the plasma ignition device. In FIG. 6, 10 is a transistor controlled by the electronic control unit ECU, 11 is a first battery, and 12 is an ignition coil. Reference numeral 13 denotes a capacitor, and reference numeral 14 denotes a control circuit for the second battery 15.

このように構成された電源制御回路において、ＥＣＵは、先ず、トランジスタ１０のスイッチングによって第一バッテリ１１の電圧を点火コイル１２により増幅して中心電極４と接地電極３との間に印加する。こうして、中心電極４と接地電極３との間に作用する高電圧によって、図３にＳ１で示すように、絶縁体２の筒状先端部２ａの内面上の沿面放電が発生し、チャンバ１内の沿面放電近傍のガス（混合気）をプラズマ化させる。こうして、チャンバ１内のガスの一部がプラズマ化されてイオン及び電子が生成されると同時にコンデンサに蓄えられた電圧が放出され、図３にＳ２で示すように、チャンバ１内に気中放電が発生する。制御回路は気中放電が持続するようにだけ比較的低い第二バッテリ１５の電圧を中心電極４と接地電極３との間に印加するが、比較的大きな電流を流すことができる。   In the power supply control circuit configured as described above, the ECU first amplifies the voltage of the first battery 11 by the ignition coil 12 by switching of the transistor 10 and applies it between the center electrode 4 and the ground electrode 3. Thus, a creeping discharge on the inner surface of the cylindrical tip 2a of the insulator 2 occurs due to the high voltage acting between the center electrode 4 and the ground electrode 3, as indicated by S1 in FIG. The gas (air mixture) near the creeping discharge is turned into plasma. In this way, a part of the gas in the chamber 1 is turned into plasma to generate ions and electrons, and at the same time, the voltage stored in the capacitor is released, and as shown in S2 in FIG. Will occur. The control circuit applies a relatively low voltage of the second battery 15 between the center electrode 4 and the ground electrode 3 so that the air discharge continues, but a relatively large current can flow.

こうして、気中放電によってチャンバ１内のガスの大部分がプラズマ化されると、チャンバ１内のガスは高温高圧となってプラズマジェットとして噴孔８から気筒内へ噴射される。   Thus, when most of the gas in the chamber 1 is turned into plasma by the air discharge, the gas in the chamber 1 becomes a high temperature and high pressure and is injected from the nozzle hole 8 into the cylinder as a plasma jet.

チャンバ１内のガスをプラズマ化させる際に、気中放電に比較して沿面放電の方が低い電圧で発生させることができる。しかしながら、沿面放電だけでチャンバ１内のガスの大部分をプラズマ化させることは、絶縁体２の側壁内面上で長い時間沿面放電を持続させなければならないために効率的ではなく、チャンバ１内に気中放電を発生させることが必要とされる。前述のように、沿面放電により一部のガスをプラズマ化させることにより気中放電を発生させるのに必要な電圧を低くすることができる。こうして、最初に沿面放電を発生させ、次いで気中放電を発生させることにより、それほど高電圧を必要とすることなくチャンバ１内のガスの大部分をプラズマ化させることができる。   When the gas in the chamber 1 is turned into plasma, the creeping discharge can be generated at a lower voltage than the air discharge. However, it is not efficient to make most of the gas in the chamber 1 into plasma only by the creeping discharge because the creeping discharge must be sustained for a long time on the inner surface of the side wall of the insulator 2. It is necessary to generate an air discharge. As described above, the voltage necessary for generating the air discharge can be lowered by converting some of the gas into plasma by creeping discharge. Thus, by generating a creeping discharge first and then generating an air discharge, most of the gas in the chamber 1 can be made into plasma without requiring a very high voltage.

ところで、高温のプラズマを噴射する噴孔８は非常に高温となるために、噴孔８が形成されたプラズマ点火装置１００の先端部１００ａを良好に冷却しないと溶損してしまうことがある。本実施形態において、プラズマを発生させるための沿面放電及び気中放電において電子が集中するために中心電極４より高温となる接地電極３がチャンバ１の一端側として、プラズマ点火装置１００の先端部１００ａ側に配置されているために、先端部１００ａの温度上昇はさらに顕著となる。   By the way, since the nozzle hole 8 for injecting the high-temperature plasma becomes very high temperature, the tip portion 100a of the plasma ignition device 100 in which the nozzle hole 8 is formed may be melted down if not cooled well. In this embodiment, the ground electrode 3, which has a higher temperature than the center electrode 4 because electrons concentrate in creeping discharge and air discharge for generating plasma, serves as one end side of the chamber 1, and the tip portion 100 a of the plasma ignition device 100. Due to the arrangement on the side, the temperature rise of the tip portion 100a becomes more remarkable.

本実施形態の内燃機関においては、図１に示すように、第一燃料噴射弁１０５が、プラズマ点火装置１００の先端部１００ａの噴孔８の近傍に直接的に衝突するように燃料Ｆを噴射し、プラズマ点火装置１００の先端部１００ａは、噴孔８近傍に衝突する燃料によって良好に冷却されて溶損を抑制するようになっている。   In the internal combustion engine of the present embodiment, as shown in FIG. 1, the fuel F is injected so that the first fuel injection valve 105 directly collides with the vicinity of the injection hole 8 of the front end portion 100 a of the plasma ignition device 100. And the front-end | tip part 100a of the plasma ignition apparatus 100 is cooled favorably by the fuel which collides with the nozzle hole 8 vicinity, and suppresses melting damage.

こうして、第一燃料噴射弁１０５により噴射された燃料によりプラズマ点火装置１００の先端部１００ａを冷却するだけであれば、第一燃料噴射弁１０５は、噴射燃料がプラズマ点火装置１００の先端部１００ａに到達する前に燃焼してしまう時（例えば膨張行程初期）を除き、先端部１００ａの冷却のための燃料を噴射することができる。例えば、均質燃料を実施する場合には、機関運転状態（機関回転数及び機関負荷）により定まる必要燃料量の大部分を第二燃料噴射弁１０６により吸気開弁前（吸気非同期）又は吸気行程（吸気同期）で噴射し、残り一部の燃料を吸気行程又は圧縮行程において第一燃料噴射弁１０５により噴射するようにすれば良い。   Thus, if only the tip portion 100 a of the plasma ignition device 100 is cooled by the fuel injected by the first fuel injection valve 105, the first fuel injection valve 105 causes the injected fuel to enter the tip portion 100 a of the plasma ignition device 100. The fuel for cooling the tip end portion 100a can be injected except when it burns before reaching (for example, at the beginning of the expansion stroke). For example, in the case of carrying out homogeneous fuel, most of the required fuel amount determined by the engine operating state (engine speed and engine load) is set by the second fuel injection valve 106 before the intake valve is opened (intake asynchronous) or the intake stroke ( (Intake synchronization), and the remaining part of the fuel may be injected by the first fuel injection valve 105 in the intake stroke or compression stroke.

また、燃焼空燃比がリーンとされる場合において、機関排気系に配置されたＮＯX吸蔵還元触媒装置の再生処理又はＳ被毒回復処理のために、第一燃料噴射弁１０５により排気行程で燃料を噴射して、排気ガスの空燃比をリッチ空燃比とするようにしても良い。 Further, when the combustion air-fuel ratio is made lean, the fuel is discharged in the exhaust stroke by the first fuel injection valve 105 for the regeneration process or the S poison recovery process of the NO x storage reduction catalyst device arranged in the engine exhaust system. May be injected to make the air-fuel ratio of the exhaust gas a rich air-fuel ratio.

これらの均質燃焼において、第二燃料噴射弁１０６を省略して、第二燃料噴射弁１０６により噴射されるはずの燃料を第一燃料噴射弁１０５により吸気行程において噴射してプラズマ点火装置１００の先端部１００ａに衝突させるようにしても良い。   In these homogeneous combustions, the second fuel injection valve 106 is omitted, and the fuel that should be injected by the second fuel injection valve 106 is injected by the first fuel injection valve 105 in the intake stroke, and the front end of the plasma ignition device 100 You may make it collide with the part 100a.

第一燃料噴射弁１０５により圧縮行程において燃料を噴射して気筒内に成層混合気を形成して着火燃焼させる成層燃焼、このような成層混合気を着火燃焼させて回りのリーン空燃比の均質混合気（第一燃料噴射弁１０５により吸気行程で噴射させる燃料により形成するか又は第二燃料噴射弁１０６による吸気同期又は非同期の燃料噴射により形成する）を火炎伝播により燃焼させる成層燃焼、又は、このような成層混合気を着火燃焼させて成層混合気の温度上昇及び圧力上昇により回りのリーン空燃比の均質混合気（第一燃料噴射弁１０５により吸気行程で噴射させる燃料により形成するか又は第二燃料噴射弁１０６による吸気同期又は非同期の燃料噴射により形成する）を自着火燃焼させるアシスト自着火燃焼等においては、プラズマ点火装置１００により成層混合気を確実に着火燃焼させなければならない。   Stratified combustion in which fuel is injected in the compression stroke by the first fuel injection valve 105 to form a stratified mixture in the cylinder and ignited and combusted, and such a stratified mixture is ignited and combusted and homogeneously mixed around the lean air-fuel ratio Stratified combustion in which gas (formed by the fuel injected by the first fuel injection valve 105 in the intake stroke or formed by the intake-synchronized or asynchronous fuel injection by the second fuel injection valve 106) is combusted by flame propagation, or this Such a stratified mixture is ignited and combusted, and a lean air-fuel ratio homogeneous mixture (formed by the fuel injected in the intake stroke by the first fuel injection valve 105 or the second is formed by the temperature rise and pressure rise of the stratified mixture. In assisted self-ignition combustion, etc., in which self-ignition combustion is performed (formed by intake-synchronized or asynchronous fuel injection by the fuel injection valve 106) It must be reliably ignited and burned the stratified mixture by location 100.

このために、プラズマ点火装置１００の先端部１００ａの噴孔８の近傍には、図３及び図３のＢ矢視図である図５に示すように、衝突燃料の方向を噴孔から噴射されるプラズマジェットに沿うように変更する凹部９が形成されている。本実施形態において、凹部９は、図３の断面と平行な断面において円弧形状を有し、また、プラズマ点火装置の中心軸線を通り図３に垂直な面と平行な断面においても円弧形状を有し、図５に示すように二つの噴孔８の間に延在する長円形状又は楕円形状である。   For this purpose, the direction of the collision fuel is injected from the nozzle hole in the vicinity of the nozzle hole 8 of the tip end portion 100a of the plasma ignition device 100 as shown in FIG. A recess 9 is formed to be changed along the plasma jet. In the present embodiment, the recess 9 has an arc shape in a cross section parallel to the cross section of FIG. 3, and also has an arc shape in a cross section that passes through the central axis of the plasma ignition device and is parallel to the plane perpendicular to FIG. However, as shown in FIG. 5, the shape is an ellipse or an ellipse extending between the two nozzle holes 8.

こうして、図１の気筒内平面図である図２に示すように、第一燃料噴射弁１０５が、成層混合気を形成するための燃料Ｆ１を点火時期直前においてプラズマ点火装置１００の先端部１００ａの凹部９の中央に衝突するように噴射すると、燃料Ｆ１は凹部９への衝突後に左右に分離し、それぞれｆ１及びｆ２が凹部９の円弧断面形状に沿って、点火時期に各噴孔８から噴射されるプラズマジェットＪ１及びＪ２に沿うように方向を変更されて進行して、可燃混合気となる。それにより、プラズマジェットＪ１及びＪ２近傍に成層混合気が形成され、プラズマジェットＪ１及びＪ２により確実に着火燃焼させることができる。本実施形態において、凹部９の中央には接地電極３を露出させて接地電極３に燃料が衝突するようにしており、高温となる接地電極３も直接的に冷却することができる。   Thus, as shown in FIG. 2 which is a plan view in the cylinder of FIG. 1, the first fuel injection valve 105 applies the fuel F1 for forming the stratified mixture to the tip 100a of the plasma ignition device 100 immediately before the ignition timing. When the fuel F1 is injected so as to collide with the center of the recess 9, the fuel F1 is separated into right and left after the collision with the recess 9, and f1 and f2 are injected from the injection holes 8 at the ignition timing along the arc cross-sectional shape of the recess 9, respectively. The direction is changed so as to follow the plasma jets J1 and J2, and a combustible air-fuel mixture is obtained. As a result, a stratified mixture is formed in the vicinity of the plasma jets J1 and J2, and can be reliably ignited and combusted by the plasma jets J1 and J2. In the present embodiment, the ground electrode 3 is exposed at the center of the recess 9 so that the fuel collides with the ground electrode 3, and the ground electrode 3 that reaches a high temperature can also be directly cooled.

図７は本発明のプラズマ点火装置を備える内燃機関の第二実施形態を示す縦断面図である。第一実施形態との違いについてのみ以下に説明する。本実施形態において、プラズマ点火装置１００’は気筒上部略中心に配置されている。ピストン１０７’の頂面にはキャビティ１０７ａ’が形成され、第一燃料噴射弁１０５’は、成層混合気を形成するための燃料Ｆ２を点火時期直前においてピストン１０７’のキャビティ１０７ａ’内へ噴射する。   FIG. 7 is a longitudinal sectional view showing a second embodiment of the internal combustion engine provided with the plasma ignition device of the present invention. Only differences from the first embodiment will be described below. In the present embodiment, the plasma ignition device 100 ′ is disposed substantially at the center of the cylinder upper portion. A cavity 107a 'is formed on the top surface of the piston 107', and the first fuel injection valve 105 'injects fuel F2 for forming a stratified mixture into the cavity 107a' of the piston 107 'immediately before the ignition timing. .

キャビティ１０７ａ’は、ピストン１０７’の平面図である図８に示すように、幅が徐々に狭められ、プラズマ点火装置１００の先端部１００ａの略真下に位置する円弧断面を有する終端壁１０７ｂ’で終端している。キャビティ１０７ａ’の底壁は円弧縦断面により終端壁１０７ｂ’に滑らかに接続されている。それにより、第一燃料噴射弁１０５’により吸気行程又は圧縮行程又は排気行程においてピストン１０７’のキャビティ１０７ａ’内へ燃料を噴射すれば、噴射燃料は、キャビティ１０７ａ’によって方向を変えられ、終端壁１０７ｂ’に沿って気筒上部略中心に配置されたプラズマ点火装置１００’の先端部１００ａ’へ導かれる。こうして噴射燃料を間接的にプラズマ点火装置１００’の先端部１００ａ’へ衝突させることにより噴孔が形成された先端部１００ａ’を良好に冷却することができる。   As shown in FIG. 8, which is a plan view of the piston 107 ′, the cavity 107 a ′ is a terminal wall 107 b ′ whose width is gradually narrowed and has an arc cross section positioned almost directly below the front end portion 100 a of the plasma ignition device 100. It is terminated. The bottom wall of the cavity 107a 'is smoothly connected to the end wall 107b' by an arc longitudinal section. Accordingly, if the fuel is injected into the cavity 107a ′ of the piston 107 ′ in the intake stroke, the compression stroke, or the exhaust stroke by the first fuel injection valve 105 ′, the direction of the injected fuel is changed by the cavity 107a ′, and the end wall It is led to the front end portion 100a ′ of the plasma ignition device 100 ′ arranged along the center of the cylinder upper portion 107b ′. In this way, the tip portion 100a 'in which the injection hole is formed can be satisfactorily cooled by causing the injected fuel to indirectly collide with the tip portion 100a' of the plasma ignition device 100 '.

図９は、本実施形態の内燃機関に取り付けられたプラズマ点火装置１００’の縦断面図である。第一実施形態のプラズマ点火装置１００との違いについてのみ以下に説明する。本プラズマ点火装置１００’において、８’はチャンバ１と気筒内とを連通する例えば四つの噴孔であり、本実施形態においては、図９のＣ−Ｃ断面図である図１０に示すように、接地電極３’はチャンバ１内において９０度の角度間隔で周囲に形成された四つの切欠３ａ’が設けられ、四つの噴孔８’は、これら切欠き３ａ’の位置において絶縁体の筒状先端部２ａ’及びハウジング７’を貫通するように、プラズマ点火装置１００’の先端部１００ａ’に形成されている。プラズマジェットは、これら四つの噴孔８’から気筒上部周囲へ向けて斜め下方向にシリンダヘッド及び圧縮上死点近傍のピストン１０７’に衝突しないように噴射される。   FIG. 9 is a longitudinal sectional view of a plasma ignition device 100 ′ attached to the internal combustion engine of the present embodiment. Only differences from the plasma ignition device 100 of the first embodiment will be described below. In this plasma ignition device 100 ′, 8 ′ is, for example, four nozzle holes communicating the chamber 1 and the inside of the cylinder, and in this embodiment, as shown in FIG. 10 which is a CC cross-sectional view of FIG. The ground electrode 3 ′ is provided with four notches 3 a ′ formed around the chamber 1 at an angular interval of 90 degrees, and the four nozzle holes 8 ′ are formed of an insulating cylinder at the positions of the notches 3 a ′. The tip portion 100a ′ of the plasma ignition device 100 ′ is formed so as to pass through the tip portion 2a ′ and the housing 7 ′. The plasma jet is injected from these four nozzle holes 8 'toward the periphery of the upper part of the cylinder in an obliquely downward direction so as not to collide with the cylinder head and the piston 107' in the vicinity of the compression top dead center.

第一燃料噴射弁１０５’から点火時期直前に成層混合気を形成するための燃料が噴射される場合において、プラズマ点火装置１００’の先端部１００ａ’の噴孔８’の近傍には、図９及び図９のＤ矢視図である図１１に示すように、衝突燃料の方向を噴孔から噴射されるプラズマジェットに沿うように変更する凹部９’が形成されている。本実施形態において、凹部９’は、図１１に示すように十字形状を有し、図９に示すように、十字を形成する二つの部分のそれぞれは、第一実施形態のプラズマ点火装置１００の先端部１００ａの凹部９と同じ断面形状とされている。   When fuel for forming a stratified mixture is injected from the first fuel injection valve 105 ′ immediately before the ignition timing, the vicinity of the injection hole 8 ′ of the tip portion 100a ′ of the plasma ignition device 100 ′ is shown in FIG. As shown in FIG. 11 which is a view taken in the direction of arrow D in FIG. 9, a recess 9 ′ is formed for changing the direction of the collision fuel so as to follow the plasma jet injected from the injection hole. In the present embodiment, the recess 9 ′ has a cross shape as shown in FIG. 11, and as shown in FIG. 9, each of the two portions forming the cross is the same as that of the plasma ignition device 100 of the first embodiment. The cross-sectional shape is the same as that of the concave portion 9 of the distal end portion 100a.

それにより、図７に示すように、第一燃料噴射弁１０５’が、成層混合気を形成するための燃料Ｆ２を、点火時期直前においてピストン１０７’の頂面のキャビティ１０７ａ’を介して間接的に、プラズマ点火装置１００’の先端部１００ａ’の凹部９’の中央に衝突するように噴射すると、燃料Ｆ２は凹部９’への衝突後に前後左右に分離し、それぞれｆ３からｆ６が十字形の凹部９’のそれぞれの円弧断面形状に沿って、点火時期に各噴孔８’から噴射されるプラズマジェットＪ３からＪ６に沿うように方向を変更されて進行して、可燃混合気となる。それにより、プラズマジェットＪ３からＪ６近傍に成層混合気が形成され、プラズマジェットＪ３からＪ６により確実に着火燃焼させることができる。ここで、図７には、左右方向に分離する燃料ｆ３及びｆ５と、これらに対応するプラズマジェットＪ３及びＪ５とは図示されているが、前後方向（図７に垂直な方向）に分離する燃料ｆ４及びｆ６と、これらに対応するプラズマジェットＪ４及びＪ６とは図示されていない。本実施形態においても、凹部９’の中央には接地電極３’を露出させて接地電極３’に燃料が衝突するようにしており、高温となる接地電極３’も直接的に冷却することができる。   Thereby, as shown in FIG. 7, the first fuel injection valve 105 ′ indirectly supplies the fuel F2 for forming the stratified mixture through the cavity 107a ′ on the top surface of the piston 107 ′ immediately before the ignition timing. If the fuel F2 is injected so as to collide with the center of the recess 9 ′ of the tip 100a ′ of the plasma ignition device 100 ′, the fuel F2 is separated into the front, rear, left and right after the collision with the recess 9 ′, and f3 to f6 are cross-shaped. Along the respective arc cross-sectional shapes of the recesses 9 ', the direction is changed so as to follow the plasma jets J3 to J6 ejected from the respective nozzle holes 8' at the ignition timing, and a combustible air-fuel mixture is obtained. As a result, a stratified mixture is formed in the vicinity of the plasma jets J3 to J6, and can be reliably ignited and combusted by the plasma jets J3 to J6. In FIG. 7, the fuels f3 and f5 separated in the left-right direction and the corresponding plasma jets J3 and J5 are shown, but the fuel separated in the front-rear direction (direction perpendicular to FIG. 7). f4 and f6 and the corresponding plasma jets J4 and J6 are not shown. Also in the present embodiment, the ground electrode 3 ′ is exposed at the center of the recess 9 ′ so that the fuel collides with the ground electrode 3 ′, and the ground electrode 3 ′ that is at a high temperature can be directly cooled. it can.

第一実施形態及び第二実施形態において、前述したアシスト自着火燃焼の場合に、プラズマジェットにより着火燃焼させる成層混合気を形成するための点火時期直前の燃料噴射の直前に燃料を噴射することにより、プラズマジェットにより着火燃焼させない成層混合気を気筒内に形成するようにしても良い。この成層混合気は、自着火させる均質混合気より僅かにリッチ側の空燃比とされ、プラズマジェットによる成層混合気の着火燃焼により気筒内が温度上昇及び圧力上昇すると、均質混合気より先に自着火燃焼して、気筒内の温度及び圧力をさらに上昇させ、それにより、均質混合気を自着火燃焼させる。このように自着火させる成層混合気を形成すれば、その分は、均質混合気の燃料量を少なくすることができ、均質混合気の自着火に際しての騒音を低減することができる。   In the first embodiment and the second embodiment, in the case of the assist auto-ignition combustion described above, by injecting fuel immediately before fuel injection immediately before the ignition timing for forming a stratified mixture to be ignited and combusted by a plasma jet Alternatively, a stratified mixture that is not ignited and combusted by the plasma jet may be formed in the cylinder. This stratified mixture has an air-fuel ratio slightly richer than that of the homogeneous mixture to be ignited. If the temperature and pressure rise in the cylinder due to the ignited combustion of the stratified mixture by the plasma jet, the stratified mixture will spontaneously precede the homogeneous mixture. By igniting and burning, the temperature and pressure in the cylinder are further increased, whereby the homogeneous mixture is self-ignited and burned. If a stratified mixture to be self-ignited is formed in this way, the amount of fuel in the homogeneous mixture can be reduced, and noise during the ignition of the homogeneous mixture can be reduced.

本発明によるプラズマ点火装置を備える内燃機関の第一実施形態を示す縦断面図である。1 is a longitudinal sectional view showing a first embodiment of an internal combustion engine including a plasma ignition device according to the present invention. 図１の内燃機関の気筒内平面図である。FIG. 2 is a plan view in a cylinder of the internal combustion engine of FIG. 1. 図１の内燃機関に取り付けられたプラズマ点火装置の横断面図である。It is a cross-sectional view of the plasma ignition device attached to the internal combustion engine of FIG. 図３のＡ−Ａ断面図である。It is AA sectional drawing of FIG. 図３のＢ矢視図である。FIG. 4 is a view taken in the direction of arrow B in FIG. 3. プラズマ点火装置の電源制御回路である。It is a power supply control circuit of a plasma ignition device. 本発明によるプラズマ点火装置を備える内燃機関の第二実施形態を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows 2nd embodiment of an internal combustion engine provided with the plasma ignition device by this invention. 図７の内燃機関のピストン平面図である。It is a piston top view of the internal combustion engine of FIG. 図７の内燃機関に取り付けられたプラズマ点火装置の横断面図である。It is a cross-sectional view of the plasma ignition device attached to the internal combustion engine of FIG. 図７のＣ−Ｃ断面図である。It is CC sectional drawing of FIG. 図７のＤ矢視図である。It is a D arrow line view of FIG.

符号の説明Explanation of symbols

１ チャンバ
２、２’ 絶縁体
３、３’ 接地電極
４ 中心電極
８、８’ 噴孔
９、９’ 凹部
１００、１００’ プラズマ点火装置
１００ａ、１００ａ’ 先端部
１０５ 第一燃料噴射弁 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Chamber 2, 2 'Insulator 3, 3' Ground electrode 4 Center electrode 8, 8 'Injection hole 9, 9' Recessed part 100, 100 'Plasma ignition apparatus 100a, 100a' Tip part 105 1st fuel injection valve

Claims (2)

プラズマを発生させるチャンバと気筒内とを連通する噴孔が先端部に形成されたプラズマ点火装置を備える内燃機関であって、気筒内へ直接的に燃料を噴射する燃料噴射弁が設けられ、前記燃料噴射弁は、前記プラズマ点火装置の前記先端部の前記噴孔の近傍に直接的に又は間接的に衝突するように燃料を噴射することを特徴とするプラズマ点火装置を備える内燃機関。   An internal combustion engine including a plasma ignition device having a nozzle hole formed at a tip portion communicating with a chamber for generating plasma and the inside of a cylinder, and provided with a fuel injection valve for directly injecting fuel into the cylinder, An internal combustion engine provided with a plasma ignition device, wherein a fuel injection valve injects fuel so that it may collide directly or indirectly with the vicinity of the nozzle hole of the tip of the plasma ignition device. 前記プラズマ点火装置の前記先端部の前記噴孔の近傍には、衝突燃料の方向を前記噴孔から噴射されるプラズマジェットに沿うように変更する凹部が形成され、前記燃料噴射弁は、成層混合気を形成するための燃料を前記先端部に形成された前記凹部に衝突するように点火時期直前に噴射することを特徴とする請求項１に記載のプラズマ点火装置を備える内燃機関。   A recess is formed in the vicinity of the nozzle hole at the tip of the plasma ignition device to change the direction of the collision fuel so as to follow the plasma jet injected from the nozzle hole. 2. An internal combustion engine comprising a plasma ignition device according to claim 1, wherein fuel for forming air is injected immediately before the ignition timing so as to collide with the recess formed in the tip portion.
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